JP4578457B2 - Power module device - Google Patents
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Description
この発明は、例えばダイオード、トランジスタ、MOSFET、IGBT等をパッケージに収めたパワーモジュールとパワー配線回路板を一体化したパワーモジュール装置に関する。 The present invention relates to a power module device in which, for example, a power module in which a diode, a transistor, a MOSFET, an IGBT and the like are housed in a package and a power wiring circuit board are integrated.
従来のパワーモジュール装置として、基板と、この基板に搭載された半導体装置と、前記基板に支柱を介して支持されたプリント基板とを備える電子回路装置において、前記半導体装置はその外枠体表面に電極を構成する雌ねじを備え、この雌ねじに螺合する雄ねじが前記支柱および前記プリント基板への配線導体を兼ねるようにしたものがある(例えば特許文献1参照。)。
また、複数の入出力端子と、複数の信号端子を持ち、内部素子からの発熱を底面から放熱するパワーモジュール部品と、このパワーモジュール部品を放熱するために放熱用ベースプレートに固定する固定手段と、このパワーモジュール部品上に配置された第1のプリント基板と、この第1のプリント基板の上部位置に、第1のプリント基板とは空間を介して配置された第2のプリント基板を具備したものがある(例えば特許文献2参照。)。
As an existing power module device, in an electronic circuit device comprising a substrate, a semiconductor device mounted on the substrate, and a printed circuit board supported on the substrate via a support, the semiconductor device is placed on the outer frame surface. There is a type in which a female screw that constitutes an electrode is provided, and a male screw that is screwed into the female screw also serves as a wiring conductor to the support column and the printed circuit board (see, for example, Patent Document 1).
A power module component having a plurality of input / output terminals, a plurality of signal terminals, and radiating heat from the internal element from the bottom surface; and a fixing means for fixing the power module component to the heat dissipation base plate; A first printed circuit board disposed on the power module component, and a second printed circuit board disposed at a position above the first printed circuit board with a space between the first printed circuit board. (For example, refer to Patent Document 2).
上記のような従来のパワーモジュール装置では、支柱や中継端子を設けて回路板とパワーモジュールを接続し、誤配線や配線長を短くしているが、パワーモジュールと接続されるパワー配線回路板上の配線パターンは、発熱部品であるパワーモジュールからの熱伝導や、大電流が流れるパワー配線回路板上の配線パターンの自己発熱により、特にパワーモジュールと接続されるパワー配線回路板の配線パターン温度が局部的に上昇し、特にパワーモジュールがねじ止めされたパワー配線回路板においては、放熱が充分ではないため、パワーモジュールと締結されるネジ端子部の配線パターンの温度上昇が最も大きく、温度上の制約となっている課題があった。 In the conventional power module device as described above, the power board is connected to the circuit board by providing support posts and relay terminals to shorten the incorrect wiring and wiring length. The wiring pattern temperature of the power wiring circuit board connected to the power module is particularly high due to heat conduction from the power module, which is a heat generating component, and self-heating of the wiring pattern on the power wiring circuit board through which a large current flows. In the power wiring circuit board where the power module is screwed locally, especially in the power wiring circuit board where the power module is screwed, since the heat radiation is not sufficient, the temperature rise of the wiring pattern of the screw terminal portion fastened to the power module is the largest, There was a problem that was a limitation.
この発明は上記のような従来技術の課題を解消するためになされたもので、パワー配線回路板を効率的に冷却し、配線パターンの局部的な温度上昇を軽減して該配線パターンのヒートサイクルが緩和された信頼性の高いパワーモジュール装置を提供することを目的としている。 The present invention has been made to solve the above-described problems of the prior art, efficiently cooling a power wiring circuit board, reducing a local temperature rise of the wiring pattern, and heat cycle of the wiring pattern. An object of the present invention is to provide a highly reliable power module device in which the above is mitigated.
この発明によるパワーモジュール装置は、パワーモジュールと、このパワーモジュールに熱的に結合された放熱器と、上記パワーモジュールに電気的に接続される回路部品が設けられたパワー配線回路板と、このパワー配線回路板及び上記パワーモジュールを電気的に接続すると共に、該パワー配線回路板を上記放熱器又は上記パワーモジュールと離間させて機械的に接続する接続部材と、これらパワー配線回路板及び上記放熱器又はパワーモジュールの間に形成された離間空間に対面するように設けられ、これらパワー配線回路板及び上記放熱器又はパワーモジュールと協働して風路を形成する仕切部材とを備え、上記パワー配線回路板と上記パワーモジュール又は上記放熱器を平行に配設して、これらの対向面の内側に上記風路を形成してなるものであって、上記パワー配線回路板は、対向する上記パワーモジュール又は放熱器の端部より外方にはみ出すように突出され、上記仕切部材は、上記はみ出した部分に対向して上記パワー配線回路板に平行に上記パワーモジュール又は放熱器の延長線上に設けられているものである。 A power module device according to the present invention includes a power module, a heat radiator thermally coupled to the power module, a power wiring circuit board provided with circuit components electrically connected to the power module, and the power module. A connection member for electrically connecting the wiring circuit board and the power module, and mechanically connecting the power wiring circuit board to the radiator or the power module, and the power wiring circuit board and the radiator. Alternatively, the power wiring includes a power supply circuit board and a partition member that forms an air passage in cooperation with the radiator or the power module. The circuit board and the power module or the radiator are arranged in parallel, and the air path is formed inside the facing surfaces. The power wiring circuit board is projected so as to protrude outward from an end portion of the opposing power module or radiator, and the partition member is opposed to the protruding portion and the power wiring circuit board. It is provided on the extension line of the power module or radiator in parallel with the circuit board.
この発明においては、接続部材によって形成されたパワー配線回路板と放熱器又はパワーモジュールの間の離間空間に対面するように設けられ、対向する上記パワーモジュール又は放熱器の端部より外方にはみ出すように突出されたパワー配線回路板のはみ出した部分に対向して上記パワー配線回路板に平行に上記パワーモジュール又は放熱器の延長線上に設けられている仕切部材が、これらパワー配線回路板及び上記放熱器又はパワーモジュールと協働して風路を形成し、自然もしくは強制的な対流発生を助長することによりパワー配線回路板が効率的に冷却され、配線パターンの局部的な温度上昇が軽減され、パワーモジュール装置の信頼性を高めることができる。 In the present invention, the power wiring circuit board formed by the connecting member is provided so as to face the space between the radiator or the power module and protrudes outward from the end of the opposing power module or radiator. The partition member provided on the extension line of the power module or the radiator parallel to the power wiring circuit board facing the protruding portion of the power wiring circuit board protruding in this manner includes the power wiring circuit board and the power wiring circuit board. In cooperation with the heatsink or power module, an air path is formed to promote natural or forced convection generation, thereby efficiently cooling the power wiring circuit board and reducing the local temperature rise of the wiring pattern. The reliability of the power module device can be improved.
参考例1.
図1は本発明の参考例1に係るパワーモジュール装置の要部を概念的に示す断面図である。図において、パワーモジュール装置1は、図示省略している筐体等に対して直接または間接的に固定された金属製の放熱器2に対して例えば密着させることにより熱的に結合されたパワーモジュール3と、このパワーモジュール3の制御回路(図示省略)等を含む配線パターン4などが設けられたパワー配線回路板5と、これらパワーモジュール3及びパワー配線回路板5を電気的に接続すると共に、パワー配線回路板5及び放熱器2又はパワーモジュール3を離間させた状態で相互を機械的に接続する接続部材7と、これらパワー配線回路板5及び放熱器2又はパワーモジュール3の間に形成された離間空間に対面するように設けられ、該パワー配線回路板5及び放熱器2又はパワーモジュール3と協働して風路6を形成する仕切部材8などを備えている。
Reference Example 1
FIG. 1 is a sectional view conceptually showing a main part of a power module device according to Reference Example 1 of the present invention. In the figure, the
なお、接続部材7は間隔を形成するスペーサ部材7aと、配線パターン4の所定部からスペーサ部材7aを貫通してパワーモジュール3に締結されパワー配線回路板5及びパワーモジュール3を電気的、機械的に接続する固定ネジ7bによって構成されている。この参考例1では、パワーモジュール3及び放熱器2とパワー配線回路板5は略平行に配設され、対流方向から見た放熱器2とパワー配線回路板5は平行で、風路6はこれら放熱器2とパワー配線回路板5の対向面の内側に形成されている。そして、仕切部材8は、該仕切部材8の一端部(図1の上方部)がパワー配線回路板5の側端部付近に位置し、他端部が放熱器2の側端部付近に位置して風路6の側方部を塞ぐように配設されている。
The
なお、上記仕切部材8は図示省略している筐体の壁面を利用したものでも良い。また、この例では図示省略している電動ファンにより冷却風の少なくとも一部が風路6を通風するように構成されている。なお、該電動ファンは例えば周囲温度に応じて回転数を変えるように構成することも差し支えない。また、パワーモジュール3は、例えばダイオード、トランジスタ、MOSFET、IGBT等がパッケージに収められた周知のもので、例えばインバータ装置などに用いられるものであるが、その回路構成、用途などは勿論限定されるものではない。
The
次に、上記のように構成された参考例1の動作について説明する。パワーモジュール装置1が動作すると、図示省略している素子、及び回路に大きな電流が流れ、パワーモジュール3及びパワー配線回路板5上の配線パターン4などが発熱する。パワーモジュール3から発生した熱の大部分は熱抵抗の小さい放熱器2に伝達され、放熱器2の放熱フィンから空気中に放熱される。また、パワーモジュール3は接続部材7によりパワー配線回路板5に接続されていることにより、発生した熱の一部はパワー配線回路板5の配線パターン4の固定ネジ7b部分に伝わり、配線パターン4自身の発熱も加わってパワー配線回路板5も温度が上昇する。この参考例1では、仕切部材8により風路6が形成されていることにより対流が起こり易く、更に図示省略している電動ファンによって付勢された冷却風が、該風路6を強制的に通流し、パワー配線回路板5の表面(裏面)全体から熱を効率的に奪うことにより、配線パターン4も冷却され、温度上昇が抑制される。
Next, the operation of Reference Example 1 configured as described above will be described. When the
上記のように参考例1によれば、仕切部材8がパワー配線回路板5及び放熱器2またはパワーモジュール3と協働して風路6を形成して対流を発生し易くし、更に該風路6に電動ファンにより強制的に対流を発生させ、風路6に対面するパワーモジュール3及びパワー配線回路板5を冷却する。これによりパワー配線回路板5の裏面の放熱性が向上し、配線パターン4の温度上昇が抑制されることにより、配線パターン4のヒートサイクルが緩和され、当該回路、製品の信頼性が向上するという効果が得られる。
なお、上記説明では図示していない電動ファンにより風路6に強制的に対流を発生させたが、自然的に対流を発生させるようにしても良い。この場合、対流が促進されるように、風路6の通風方向が上下方向となるように構成部材の向きを選ぶことは好ましい。さらに、仕切部材8は図の右側部に設け、あるいは左右両側に設けても良い。
As described above, according to the reference example 1, the
In the above description, convection is forcibly generated in the
実施の形態1.
図2は本発明の実施の形態1に係るパワーモジュール装置の要部を概念的に示す断面図である。この実施の形態1では、パワー配線回路板5がパワーモジュール3又は放熱器2Aの両端部よりも左右両外方にはみ出す如く突出され、仕切部材8は、上記はみ出した部分に対向してパワー配線回路板5に平行に上記放熱器2Aの左右の延長線上にそれぞれ設けられ、間隙部からなる風路6Aの側方部は開放されている。その他の構成は上記参考例1と同様であるので説明を省略する。また、各図を通じて同一符号は同一または相当部分を示すものとする。
FIG. 2 is a cross-sectional view conceptually showing a main part of the power module device according to
上記のように構成された実施の形態1においては、パワー配線回路板5と仕切部材8で挟まれた空間によって風路6Aを形成し該風路6Aの側方部を開放した事により、前記風路6A内の対流方向が制約されない。このため、前記風路6A内のパワーモジュール3およびパワー配線回路板5の冷却がより効果的に行なわれ、パワー配線回路板5の配線パターン4の温度上昇がさらに抑制されることにより、配線パターン4のヒートサイクルが緩和され当該回路・製品の信頼性が向上する。
In the first embodiment configured as described above, the
参考例2.
図3は本発明の参考例2に係るパワーモジュール装置の要部を概念的に示す断面図である。この参考例2は、パワー配線回路板5を図示省略している筐体に直接、又は放熱器2Aを介して該筐体に固定する板状の支持部材9が具備され、更に仕切部材8は、その一端部(図3の上方部)がパワー配線回路板5の側端部付近に位置し、他端部(図の右側)が放熱器2Aの側方部方向に伸びて風路6Bの側方部を塞ぐように配設されている。なお、仕切部材8はパワーモジュール3に対して支持部材9とは反対側に設けられ、該仕切部材8と放熱器3によって形成された図の左側の風路6Bは、図の下方部が開放されている。また、支持部材9は仕切部材8の機能を兼ねている。その他の構成は上記実施の形態1と同様であるので説明を省略する。
Reference Example 2
FIG. 3 is a sectional view conceptually showing a main part of a power module device according to Reference Example 2 of the present invention. This reference example 2 is provided with a plate-
上記のように構成された参考例2においては、参考例1とほぼ同様にパワーモジュール3とパワー配線回路板5の冷却が行なわれ、さらにパワー配線回路板5と放熱器2Aまたは該放熱器2Aが取り付けられた筐体とを機械的に結合する支持部材9が設けられていることにより、パワーモジュール3とパワー配線回路板5を締結する固定ネジ7b近傍のパワー配線回路板5への応力が緩和されるので、上記参考例1の効果に加えて、信頼性が更に向上するという効果が得られる。
In the reference example 2 configured as described above, the
参考例3.
図4は本発明の参考例3に係るパワーモジュール装置の要部を概念的に示す断面図である。この参考例3は、図3に示す参考例2における仕切部材8の機能を全て支持部材9に分担させ、図3に示す仕切部材8を省いたものに相当する。
即ちこの参考例3は、支持部材を兼ねる仕切部材81を備えたもので、このように構成された参考例3では、仕切部材81が支持部材の機能を兼ねる事で、パワー配線回路板5と放熱器2Aと仕切部材81で囲まれた空間で形成された風路6Cがより限定的となり、パワー配線回路板5の配線パターン4を効率よく冷却できるため、配線パターン4のヒートサイクルが緩和され、当該回路・製品の信頼性が向上される。また、仕切部材81が支持部材も兼ねる事で、製造コストを安価にすることが出来る。
Reference Example 3
FIG. 4 is a sectional view conceptually showing a main part of a power module device according to Reference Example 3 of the present invention. The reference example 3 corresponds to a structure in which all the functions of the
That is, the reference example 3 includes a
参考例4.
図5は本発明の参考例4に係るパワーモジュール装置の要部を概念的に示す断面図である。この参考例4は、図3に示す参考例2における支柱状の接続部材7を、風路の通風方向(対流方向)から見たときに略コ字状に形成されているスペーサ部材7cと固定ネジ7dからなる接続部材7Aに変更し、支持部材9を省略して風路6Dを形成するようにしたもので、その他の構成は参考例2と同様である。
上記のように構成された参考例4によればコの字に形成されたスペーサ部材7cを用いた接続部材7Aを用いることで、接続部材7Aの放熱性能が向上され、接続部材7Aと接続されたパワー配線回路板5Aの配線パターン4Aが更に効率よく冷却できるため、配線パターン4Aのヒートサイクルが更に緩和され当該回路・製品の信頼性の向上が図れる。
Reference Example 4
FIG. 5 is a sectional view conceptually showing a main part of a power module device according to Reference Example 4 of the present invention. This reference example 4 is fixed to the
According to the reference example 4 configured as described above, by using the connecting
参考例5.
図6は本発明の参考例5に係るパワーモジュール装置の要部を概念的に示す断面図である。この参考例5は、パワー配線回路板5の放熱器2Aに対向する面に乱流促進部材10を突出するように設け、風路6Eを形成したものである。なお、この乱流促進部材10はパワー配線回路板5に実装される回路部品もしくは前記回路部品のリード線などハンダ付けされた回路部品の一部もしくは図3に示す支持部材9を兼用しても可能である。また、仕切部材8は参考例2と同様にパワー配線回路板5の端部に一端部が位置するように設けられている。
上記のように構成された参考例5では、パワー配線回路板5の放熱器2Aに対向する面に乱流促進部材10を突設した事により、パワー配線回路板5と放熱器2Aと仕切部材8で囲まれた風路6Eに乱流を発生させた事でパワー配線回路板5や接続部材7からの放熱が促進され、配線パターン4が効率よく冷却できるため、配線パターン4のヒートサイクルが緩和されて製品の信頼性が向上する。
Reference Example 5
FIG. 6 is a sectional view conceptually showing a main part of a power module device according to Reference Example 5 of the present invention. In this reference example 5 , a
In the reference example 5 configured as described above, the power
なお、上記実施の形態1および参考例1〜5で図示したパワーモジュール装置の構成部材は一例に過ぎず、例えば放熱器2、2Aのフィン配置等、構成部材の形状、大きさ、位置関係、あるいは接続部材7や仕切部材8の設置個数などは図示のものに限定されないことは言うまでもない。
Note that the constituent members of the power module device illustrated in the first embodiment and the reference examples 1 to 5 are merely examples, and the shape, size, positional relationship of the constituent members such as the fin arrangement of the
1 パワーモジュール装置、 2、2A 放熱器、 3 パワーモジュール、 4 配線パターン、 5、5A パワー配線回路板、 6、6A、6B、6C、6D、6E 風路、 7、7A 接続部材、 7a、7c スペーサ部材、 7b、7d 固定ネジ、 8 仕切部材、 81 (支持部材兼)仕切部材、 9 支持部材、 10 乱流促進部材。
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